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Die Vorteile des Bleiakkumulators:

Relativ hohe Spannung pro Zelle

Vergleichsweise geringer Preis

Augrund des geringen Innenwiderstandes relativ hohe Belastbarkeit

Günstiges Energieverhältnis zwischen Entladung und Aufladung

Fast vollständig wiederverwertbar

Bedürfen wenig Pflege

Nachteile des Bleiakkumulators:

Hohes Gewicht !

Spezifische Energie von 25 - 35 Wh/Kg ist gering

Empfindlich gegenüber hohen Temperaturen

Alterung des PbSO4- Elektrodenüberzugs bei längerer Lagerung im ungeladenen Zustand

Relativ lange Ladezeit

Zustand der totalen Entladung wirkt sich schlecht auf den Akku aus

Der 1859 von Panté entwickelte Bleiakkumulator setzte sich damals schon sehr schnell durch. Der Bleiakkumulator ist der einzige Akku, bei dem beide Elektroden aus dem selben Material bestehen. Noch heute dominiert der Bleiakku das Feld der Starter- ,Traktions- und Notstrombatterien. Die Weltproduktion von Starterbatterien allein liegt zwischen 50 und 100 Mio. Es stecken heute schon ca. 70% des auf der ganzen Welt vorhandenen Bleis in Akkumulatoren.
 

Aufbau und Funktionsweise des Bleiakkus

Die heutigen Bleiakkus bestehen aus einzelnen Zellen, wobei jede Zelle für sich eine Galvanische Zelle mit einem Elektrodenpotential von 2V darstellt, meist sind dann 3 oder 6 solche Zellen hintereinander geschaltet, um eine Spannung von 6 bzw. 12V zu erreichen. Eine solche Halbzelle besteht aus einer Elektrode aus metallischem Blei und einer Elektrode, die mit Blei(IV)-oxid beschichtet ist.
Als Elektrolyt dient 20-40% H2SO4, da bei dieser Konzentration die H2SO4 ihre optimale Leitfähigkeit erreicht hat. Um die Elektrodenoberfläche möglichst Groß zu halten, sind die an den Elektroden wirksamen Stoffe feinkörnig und porös. Beim Entladevorgang funktioniert der Bleiakku als galvanische Zelle. Beim Anlegen eines Verbrauchers, lösen sich Pb2+-Ionen aus beiden Elektroden und gehen in die Lösung über.
Die hierbei entstandenen Pb2+-Ionen reagieren mit den Säurerestionen der H2SO4 zu schwerlöslichem PbSO4, dass sich an den Elektroden absetzt.
Das Entladen ist insgesamt ein freiwillig verlaufender Redoxprozeß. Beim Entladen entsteht also an beiden Elektroden Bleisulfat, Schwefelsäure wird verbraucht und es entsteht Wasser.
Es sinkt die Dichte der Säure bei diesem Prozess von 1,26 g/cm3 auf 1,18 g/cm3, man ist demnach in der Lage, den Ladezustand des Akkus mit Hilfe der Säuredichte zu bestimmen. Wenn man bei einer Dichte von 1,15 g/cm3 nicht nachlädt, wird der Akku irreversibel beschädigt. Der Akku ist erschöpft, wenn das gesamte Bleioxid reduziert wurde.
Der Ladevorgang ist ein erzwungener Vorgang, bei dem man eine Spannung an die Elektroden anlegt und so die Stromrichtung umkehrt wird. Man könnte erwarten, dass der Bleiakku als Elektrolytzelle funktioniert, da schwefelsaure Lösung unter Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrolysiert werden würde.
Auf Grund von Überspannungen wird dies so stark behindert, sodass bevorzugt Pb2+ -Ionen an den Elektroden reagieren. Das macht das Aufladen überhaupt erst möglich.

Der Nickel/Cadmiumakkumulator

Praktisch verwendbare NiCd-Systeme gibt es erst seit der Jahrhundertwende.
Nachdem sich Thomas A. Edison in seinen Forschungen auf Nickel / Eisen- Systeme konzentrierte, schuf Waldemar Jungner 1899 den ersten später in Serie gefertigten NiCd-Akku. Gasdichte NiCd- Zellen konnten erst nach 1933 hergestellt werden, nachdem A.Sassler mit seinen Forschungen die Grundlage dafür gelegt hat. Seinerzeit war auch schon das Prinzip der Sinterelektroden bekannt.
Der nächste Technologiesprung  Mitte der 80'iger Jahre brachte dann die Metallschaumelektrode und einige weitere Verbesserungen. Damit war es gelungen, in den Abmessungen einer Mignonzelle eine Kapazität von über 1 Ah unterzubringen.
Wohl einer der Hauptvorteile von NiCd- Systemen sind vor allem lange Lagerfähigkeit im entladenen Zustand, sowie die Tiefentladefähigkeit. Natürlich ist auch die größere mechanische Stabilität und das gute Verhältnis von Masse (Gewicht) zu Kapazität zu erwähnen. Cadmium besitzt das Formelzeichen Cd und gehört wie Blei zu den Schwermetallen. Daher sind alle Cd-Verbindungen sehr giftig. Nickel besitzt das Formelzeichen Ni und gehört ebenfalls zu den Schwermetallen.
 

Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle

In einer NiCd-Zelle besteht die positive Elektrode aus Nickelhydroxid (NiO2H), in der Regel mit einem Graphitzusatz um dieLeitfaehigkeit zu verbessern. Bei gasdichten NC-Zellen ist es heute allgemein üblich, einen Anteil sogenannter antipolarer Masse als Umpolschutz, meist Cadmiumhydroxid ( Cd (OH)2) hinzuzufügen.
Die positive Nickel-Elektrode lässt sich nämlich viel schlechter Laden als die negative Cadmium-Elektrode. Der Zusatz von Cadmiumhydroxid bildet eine Ladereserve, welcher die Wasserzersetzung und somit die Bindung von Wasserstoffgas verhindert.
Die Chemische Umwandlung des Wasserstoffs durch Oxidation an der positiven Elektrode verläuft so langsam, das er für Rekombinationszwecke in der Zelle nicht brauchbar ist. Dieser Wasserstoff- Überschuss, der zu einem Druckanstieg in der Zelle führen würde, nimmt die Ladereserve auf und sorgt gleichzeitig für einen gewissen Umpolschutz. Die negative Elektrode besteht aus pulverisierten Cadmiumverbindungen.
Auch hier befinden sich zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit eingelagerte Graphitpartikel, auch hier gibt es analog zu positiven Elektrode eine Entlade - und Ladereserve, welche dadurch realisiert wird, dass mehr Elektrodenmasse als eigentlich erforderlich verwendet wird.
Bei Überladung wird dann der gesamte Ladestrom zur Sauerstoffreduktion an der negativen Elektrode verwendet ohne dass es zu einem unzulässigen Druckanstieg kommt.
Trotz all dieser Maßnahmen hat natürlich die Umpolfestigkeit auch ihre Grenzen. In Grosserienfertigung werden die Elektrodenmaterialien in die gewünschte Form gepresst und dann zur mechanischen Stabilisierung mit einem feinmaschigen Nickeldraht umgeben. Dieses leitfähiges Nickelnetz dient auch zur gleichmäßigen Ladungsverteilung.
 

NiCd - Sinter- Zellen

Etwas aufwändiger und teurer sind Nick-Akkus mit Sinterfolien-Elektroden. Hierbei dient ein vernickeltes Stahlgewebe als Träger, auf welches das Elektrodenmaterial, also NiOOH = positive Elektrode u. Cd = negative Elektrode, staubförmig aufgebracht wird. Unter sehr hohen Temperaturen und Drücken sintern dann diese Stoffe zusammen und ergeben eine raue Oberfläche. Durch die nun sehr große aktive Oberfläche, ergeben sich folgende Eigenschaften:
sehr geringer Innenwiderstand, hohe Entladeströme und eine gute Überladefestigkeit, da ja durch die große Oberfläche die Gase (O und H) bei Überladung sich besser an den Elektroden binden können.
Des weiteren besitzen solche Akkus bis zu 20 % mehr Kapazität.

Der Nickel-Metallhybridakku

Die Nickel-Metallhydrid-Batterie entstand bei der Suche nach einer Zelle mit vergrößerter Kapazität und verbesserter Umweltverträglichkeit. Die Negative, strukturell recht einfache Cadmium-Elektrode wurde hier durch eine Metalllegierung mit komplexer Struktur ersetzt, die Fähig ist, Wasserstoff zu absorbieren.
Das Legierung-Wasserstoff-System weist eine hohe Energiedichte auf, was erlaubt die Masse der negativen Elektrode zu verringern und das gewonnene Volumen mit positiver Masse aufzufüllen.
Dadurch erhöht sich die Energiedichte im Vergleich zu NiCD-Zelle.
 

Aufbau und Funktionsweise einer Ni-MH Zelle

Die Anode (-) besteht hier nicht aus Cadmium, sondern aus einer wasserstoffspeichernden Nickellegierung. Die Kathode besteht wie schon beim Ni/Cd-Akku aus Nickel.
Auch das Elektrolyt ist das selbe, und zwar Kaliumhydroxid-lösung.
Beim Entladen laufen allgemein folgende Reaktionen ab:
 

MH + NiOOH -> M + Ni(OH)2

Es entsteht eine Leerlaufspannung von 1,25 bis 1,35 V. Sie ist vom Ladezustand, der Lagerungszeit und der Temperatur abhängig. Umittelbar nach der Ladung kann auch mal 1,45V gemessen werden.
Die Nennspannung beträgt dennoch 1,2 V (ein Mittelwert der  Spannungen im Arbeitszyklus).
Die Entladeschlussspannung beträgt 1V, bei höheren Entladeströmen kann sie auch auf 0,9V fallen.
Der Maximale Entladestrom beträgt nur 3C.

Die NiMH-Zellen sind nur eingeschränkt für unsere Zwecke brauchbar, da der maximale Entladestrom mit 3C vergleichsweise gering ist.
Brauchbar sind die Zellen jedoch für den „Next Generation“, der im Schwebeflug weit weniger als 1A verbraucht. Bei den  Indoor- und Parkflyeren wird der Spitzenstrom zu hoch sein und die Zellen beschädigen.

Wiederaufladbare Lithium-Systeme

Das Element Lithium wurde 1817 in einigen Mineralien entdeckt, und aufgrund seines Vorkommens ausschließlich in Gesteinen (griech. lithos =Stein) wurde es ent-sprechend benannt. Als Metall ist es zuerst im Jahre 1855 durch Schmelzfußelektrolyse des Lithiumchlorids hergestellt worden.
Aufgrund seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften ist Lithium für die Batterieindustrie sehr attraktiv:
Es besitzt das höchste elektrochemische Äquivalent aller Metalle und das höchste negative Standardpotential. Die große Reaktivität erschwert jedoch erheblich die industrielle Anwendung; es reagiert sehr heftig mit Wasser, wobei sich Lithiumhydroxid (LiOH) bildet.
Der dabei freigesetzte Wasserstoff kann sich durch die Reaktionswärme entzünden (u.U. auch explosiv), so dass die Verarbeitung in sog. Trockenräumen erfolgen muss.
Aus den gleichen Gründen ist die einfache Zellenkomposition mit wässrigen Elektrolyten unmöglich.
Es gibt bereits mehrere verschiedene Zellentypen, die jedoch keine eindeutigen Vorteile gegenüber den klassischen NiCd-Systemen in allen Anwendungsbereichen haben: entweder ist die Lebensdauer zu kurz, oder die Arbeitsbedingungen sind zu exotisch.
(z.B. muss in manchen Lösungen die Temperatur höher als 120 °C sein), oder die Ströme sind so gering, dass die Batterie z.B. nur in Herzschrittmachern einsetzbar ist.
In Laboratorien gibt es bereits vielfältige Lösungen, und die Entwicklung geht weiter - die Fachpresse berichtet monatlich über
neue Systeme!
 

Grundsätzlich gibt es fünf verschiedene Kategorien der Lithiumzelle:
 

Zellen mit flüssigem, organischen Elektrolyten:
Festkörperkathode aus Einlagerungsverbindungen,  Anode  aus  metallischem Lithium und flüssigem, organischen Elektrolyten.

Merkmale:

Hohe spezifische Energiedichte
Mittlere Entladungsströme
Mögliche Sicherheitsprobleme (metallisches Lithium)
Niedrige Lebensdauer
Niedrige Selbstentladung
Beispiele:  Li/MoS2, Li/MnO2, Li/TiS2, Li/NbSe3, Li/V2O5, Li/LiCoO2, Li/LiNiO2.

 

Zellen mit festem Elektrolyten:
Festkörperkathode aus Einlagerungsverbindungen, Anode aus metallischem Lithium und Elektrolyt aus festem Polymer.

Merkmale:

Hohe spezifische Energiedichte
Niedrige Leitfähigkeit des Elektrolyten (kleine Entladungsströme)
Sicherere Konstruktion als bei flüssigem Elektrolyt
Sehr schlechte Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen
Niedrige Selbstentladung
Beispiel:  Li/PEO-LiClO4/V6O13

Lithium-Ionen-Zellen:
beide Elektroden aus Einlagerungsverbindungen und flüssigem oder festem Polymer-Elektrolyten.

Merkmale:

Sicherer Aufbau
Hohe Lebensdauer
Relativ große Selbstentladung
Mittlere Entladungsströme
Beispiele:  LixC/LiCoO2, LixC/LiNiO2, LixC/LiMnO4

 

Zellen mit anorganischem Elektrolyten:
flüssige Kathode, die gleichzeitig als Lösungsmittel des Elektrolyten dient.

Merkmale:

Hohe spezifische Energiedichte
Hohe Entladungsströme
Sehr gute Lagerungsfähigkeit
Widerstandsfähigkeit gegen Überladung
Sicherheitsprobleme (sehr giftig)
Kapazitätsverlust im Laufe des Lebens
Beispiele: Li/SO2, Li/CuCl2

 

Lithium-Legierungs-Zellen:
Anode aus Lithium-Legierung, flüssiger organischer Elektrolyt, verschiedene Kathoden.

Merkmale:

Knopfzellenkonstruktion
Mehr Sicherheit durch Lithium-Legierung
Niedrige Energiedichte
Kurze Lebensdauer (außer für geringere Entladungstiefe)
Beispiele:  LiAl/MnO2, LiAl/V2O5, LiAl/C, LiC/V2O5, LiAl/Polymer

Die einzige Zelle aus der Lithium-Familie die für uns in frage kommen könnte ist die Lithium-Ionen Zelle.
Sie besitzt eine extrem hohe Kapazität und eine hohe Zellspannung von 3,7V. Widriger weise beträgt die Maximale Belastbarkeit nur 2C. Da die Kapazität der Zellen entsprechender Größe jedoch über 1000mAh beträgt, reichen hier 2C für den „Next Generation“ aus.

Leider ist der Anschaffungspreis extrem hoch.
 

Eigenschaften der Beschriebenen Akkusysteme